南水北调中线冬季冰情变化特征及输水能力提升策略研究

南水北调中线工程冰期输水能力受限已成为制约工程安全运行和社会效益发挥的巨大障碍。认识和辨析通水以来中线干渠冬季水温冰情演变规律及影响机理,是中线干渠冬季输水能力提升亟需解决的关键问题。本文基于2011—2023年中线干渠连续12个冬季的气象、水力、冰情等原型观测资料,分析了中线干渠水温冰情时空分布本底和特征规律,明晰了影响中线干渠冰凌生消的关键因素,针对性提出了冬季输水能力提升的相关应对策略。分析表明：通水以来冰情发生的范围和时间相比理论预想偏小、偏短,冰凌影响区为七里河倒虹吸至北拒马河暗渠段,冰塞风险区为滹沱河倒虹吸至北拒马河暗渠段,多年平均冰厚15 cm,历史极端冰塞厚2.9 m,冰凌壅水最高值0.73 m;干渠冬季水温由南向北递减,依次出现岸冰、流冰和冰盖,日均气温转负后相应的断面平均测量水温在2.5、1.0和0.25 ℃左右,且沿程水温下降速率与流量和气温呈负相关,即增大输水流量可减缓水温下降速度;影响冰凌生消的关键因素是气温、流量、太阳辐射和风速,典型年如2016年的严重冰情与1月低累计负积温、大输水流量和短时寒潮叠加有关,漕河等渡槽失温快产冰量大与风速密切相关。基于上述分析,未来可考虑结合气象、水情、冰情实时监测和智能预警预报,建立水温-水量-水力协同调控和动态调度技术体系,重点从缩短冰期输水时长、降低冰情影响范围、优化关键控制指标和挖潜渠道防冰塞性能等多方面全面提升南水北调中线工程冬季输水能力。     

南水北调中线京石段冬季调度策略

冰塞是南水北调中线工程冬季输水面临的主要冰害。冰塞的形成及发展与水力、热力、冰冻等多方面因素有关。因此,分析冰塞在不同因素下的变化特征,研究如何通过改变水位、流速等控制方式降低冰塞灾害发生的概率,对于保障中线工程冰期输水的供水安全至关重要。以中线工程中冰害风险较大的坟庄河节制闸 南拒马河节制闸渠段为研究对象,首先基于水动力学、热力学以及冰水力学等理论,构建冰情演变模型,并进行率定与验证;然后依据冰塞的形成条件以及影响因素,设置不同水深、流速与气温的组合情景并模拟冰情变化;之后基于水深、流速与水温变化对冰塞特征影响的定量分析,确定流速的控制指标以及气温的预警指标,提出渠段冬季输水的安全调度方式;最后采用冰塞最容易发生的水深、流速以及气温的组合情景对调度方式进行验证。验证结果表明,该调度方式能够显著降低冰塞发生概率,有效保障了冰期输水安全,能够为实际调度提供一定的参考。     

河北省冰期调水水文特性分析

在北方冬季跨流域调水中,水流在年底至次年初发生结冰现象。输水河道在此期间,经过岸冰、冰花、溜冰、冰盖等冰情,造成河道输水水位抬升,流量变小,输水能力减低,且水位流量关系复杂。调水河道在冰寒加剧和高水位运行下,个别河段甚至出现冰塞、冰坝等冰灾现象,直接威胁到河道堤防安全,增加了输水管理的难度。研究分析冰期水流变化规律,对冰期输水监测及调度管理具有重要意义。     

南水北调中线冬季水温分布规律数值模拟研究

水温是南水北调中线冬季输水冰情预报的重要指标之一。以中线工程总干渠冬季水温为研究对象建立一维水温数学模型,模拟不同气象冷暖冬条件与不同输水流量方案下总干渠沿线水温变化过程,揭示水温沿线时空分布规律,并在此基础上给出相关冬季输水调度运行建议。结果表明:总干渠沿线自南向北各闸站水温沿程降低,大部分工况显示冬季水温整体呈现出先下降后缓慢上升的趋势。同一气象条件下,输水流量越大,沿线水温降幅就越小,如在2013年冷冬典型年份下,陶岔渠首输水流量150m3/s时沿程降温率为0.37℃/100km,陶岔输水流量350m3/s时沿程降温率为0.16℃/100km。同一输水流量条件下,虽然气温升高对水温的提高有一定的效果,但是不同典型冬季年份降温率并没有显著相关性。建议在做好基于中短期寒潮预报的冬季输水实时调控模式研究的前提下,冬季可采取加大流速输水方案(即大流量、低水位输水),减少水温降幅,旨在提升全线非冰盖输水的可行性。     

国务院南水北调工程建设委员会办公室鄂竟平主任检查南水北调中线冰期输水工作

正2016年2月5日,国务院南水北调工程建设委员会办公室鄂竟平主任亲临南水北调中线工程检查冬季冰期输水工作,并到长江科学院位于河北岗头隧洞冰情观测站询问了解冰情监测情况,南水北调中线干线建设管理局局长张忠义等一行陪同。长江科学院水力学研究所总工程师段文刚向鄂竟平主任汇报了本冬冰情特点、观测断面布设和观测内容等。针对前期华北地区多年罕见的寒潮袭击,中线局部渠段形成冰塞体,各级领导极为重视,长江科学院院长郭熙灵要求加大冰情观测力度及资料积累,将成果纳入院野外科学观测站,时刻关注了解现场冰情并转达对现场工作人员的问候。项目组通过观测及时建议加密拦冰索,现     

南水北调中线干线冰期输水动态调度初探

为保障输水运行安全，南水北调中线安阳河以北段针对冰期通常采取高水位、小流量、低流速的输水模式，导致下游供水量较正常输水期大幅度减少，既影响工程效益发挥，也使得冬季水量供需矛盾日益凸显。基于历史观测数据和冰情发展规律，在2021—2022年度冰期输水期间，中线工程首次采用动态调度、优化控制的方式，预测研判气温、水温、冰情发展，采取相宜的调度模式，科学增加输水的时间和范围，在安全平稳完成冰期输水任务的同时，冬季3个月安阳河以下实际供水量较同期计划增加3.38亿m3，动态调度实效显著。     

南水北调（中线）冰期输水冰情分析

摘要：为了探索研究南水北调中线总干渠冰期输水可能产生的冰情及对输水的影响,于1994—1997年连续3个冬季进行了冰期榆水原型观测,并取得了一定的成果。文章提出中线总干渠冰期输水的主要冰情形式,它对南水北调冰期输水的运行管理起参考作用。     

典型长距离调水工程冬季冰凌危害调查及分析

以某长距离调水工程为研究对象,基于原形观测资料分析渠道冬季冰情发展规律和存在的冰凌问题。介绍了渠道和建筑物布置特点、不同冬季气象特点和冬季输水运行方式,分析了流冰期、封冻期、开河期的冰情现象,不同年份和空间上的冰情分布特征,总结了长距离输水渠道冰情生消演变的基本规律。基于典型冬季渠道出现的特殊冰凌灾害,列举了冰塞、泵站前池水位下降、分水口流量降低、仪器设备读数失真、渠道衬砌冻胀等冰凌影响事件,分析了气象条件、水力条件和工程布置特点对冰凌危害出现的影响。从调度、工程措施出发,在不同冰期阶段,针对不同渠道和建筑物位置,提出集防、拦、扰、捞、排一体化的冰凌防护措施,为长距离输水工程冬季冰期安全高效运行提供技术保障。     

南水北调中线工程冬季输水冰情的数值模拟

南水北调中线工程总干渠是由明渠和各种过水建筑物组成的树状系统,特点是线路长、过水建筑物类型多、冰水动力学响应过程复杂。本文将冰情发展模型与树状明渠系统复杂内边界条件下的渠道非恒定流模型进行集成耦合,开发了大型长距离调水工程冬季输水冰情数值模拟平台,提出了树状明渠系统复杂内边界条件的等效变换方法和计算冰盖前缘动态发展的虚拟流动法。根据实测的沿线气象资料和设计资料,利用该平台系统模拟了在寒冷气温条件下总干渠初冰、冰盖形成、发展和消融过程。分析了冬季输水的冰情特性及冰期输水能力,提出了冰期安全运行的水力控制条件,通过对典型年总干渠敞流期、冰盖形成期、稳封期、调度期以及开河全过程的模拟,给出了安全运行输水调度方案及建议。     

南水北调中线京石段冰期输水规律研究

南水北调中线京石段供水工程起于河北省石家庄,止于北京的团城湖,渠道全长307km,由于沿线冬季天气寒冷,通常都会出现结冰现象。为了做好冰期调水运行工作,确保冰期通水工作的顺利进行,输水本文利用京石段四次冰期调度运行数据,在分析各输水渠段的冰情时空分布特征的基础上,提出了冰期输水调度的经验与规律,为南水北调中线工程的冰期调度运行、冰期灾害防治和冰期灾情预报提供技术支撑。     

大型串联渠系冰塞-水力响应特性分析

为了定性定量描述南水北调中线工程冰塞特征与水力响应特性之间的耦合关系,采用数值模拟方法,建立了串联渠系冰塞事件-水力响应-闸门操作耦合响应模型,通过多工况对比揭示冰塞体范围、厚度和输水流量及闸门群应对方式等造成的渠系水力响应规律。研究结果表明：闸门群耦合响应下,发生冰塞事件的渠池仅影响其上游渠池的水力过程,对于发生冰塞事件的渠池,其冰塞体上游段水位壅高,下游段水位降低,而该渠池上游所有渠池水位整体降低;闸门群无响应时,冰塞可造成渠系放空风险,而PI控制器作用下的闸门群调度可明显改善渠系应对冰塞事件的水力响应,水位波动幅度随冰塞体和输水流量的增大而不断增大,在模拟工况下,闸前最大水位偏差达0.5 m,输水目标恢复时间约20 h,在冰塞体足够大时,渠系面临漫堤风险。做好渠池风险评估和优化冰塞事件应对控制器是下一步研究的重点。     

万家寨水库冰情浅议

由于万家寨水库蓄水，库区河道庙不封河转为稳定封冻河段，回水末端到拐上河段受冰花、冰块阻水影响水位壅高，交通水泥厂断面最高壅水6．5m，超过水库设计回水淹没线。作者在现场观察基础上，结合万家寨水库实测冰情资料，对万家寨水库封、开河情况进行了介绍，就流量、流冰密度、库水位及地形等因素对封、开河过程及壅水程度的影响进行了分析。     

南水北调中线总干渠冰情预测模型参数敏感性分析及率定

南水北调中线工程黄河以北总干渠冬季由于受气温的影响,将有不同程度的冰情产生,总干渠将处于无冰、流冰、冰盖下输水等多种复杂运行状态,运行不当则可能发生冰塞、冰坝危害。为了更准确地预测冰情,文章利用详细热量交换法对不同条件下渠道内一维冰盖生消进行数值模拟,根据2012年冬季的冰清观测结果以均方根差最小的原则率定模型参数。随后通过改变反射系数α、云量C、虚拟冰盖厚度Δh、风速Va、折减系数Cc及Ce、初始水温等分析冰盖厚度对于模型参数的敏感性。仿真结果显示,模型参数中反射系数α、虚拟冰盖厚度Δh这两个参数对冰盖厚度影响较大,气温数据中云量C对冰厚结果影响较大,且在高云量区域敏感性为极敏感,这些规律可以为寒区渠道系统冰情预测模型的开发及率定提供参考。     

冰水情一体化双频雷达测量系统

针对单频雷达在冰厚和水深同时测量中的缺点,提出了以100 MHz和1500 MHz雷达为基础的冰水情一体化双频雷达测量系统,并通过RTK系统实时采集测点的经纬度坐标。该系统通过交替工作周期为15 ms的分时工作来避免不同频率雷达间的相互干扰,利用冰厚和水深综合探测时在时间上表现为相邻道号数据振幅稳定、渐变的特点,采用相关性层位追踪算法提高测量的准确性。在我国纬度最高的黑龙江漠河段,通过21个水深和19个冰厚测点与传统观测方法进行了对比验证,并通过原型观测应用支撑了黑龙江龙岛码头河段春季的防凌爆破。结果表明基于双频雷达的冰水情一体化系统可大幅提高冰水情野外原型观测的效率,为长河段的冰厚、水深测量提供新的手段。     

河冰水力学研究进展

近几十年来,随着经济的发展,河流冰情灾害引起的损失越来越大,因此很多专家、学者投入到河冰问题的研究,使得河冰水力学得到了很大的发展。分别从天然河道、水库、人工输水渠道等原型观测研究,新型冰情观测仪器的研发和使用,冰塞演变机理、冰盖下的流速分布和泥沙输移等实验研究,冬季河道冰情发展演变过程、冰塞的形成、冰塞溃决时的洪水波等河冰动力学数值模拟研究,以及基于神经网络技术的冰情预报等方面,综述了国内外学者在冰情研究中最新的研究进展,重点介绍了其中一些具有代表性的成果,并对目前河冰工程研究中仍未解决的问题和以后需要进行的工作进行了尝试性地分析。     

南水北调中线工程输水冰情的初步分析

本文结合南水北调中线工程初步设计方案及在冬季输水运行的防凌要求，根据南水北调工程中线沿线各地区的多年气候、邻近河道冰情实测资料的统计，分析并得出了沿线各渠段地区的气候、邻近河流冰情的变化与特征。应用一维热平衡方程对三个不同气温典型年即冷年、平均年、暖年，以出库水温和邻近渠道表面温度为初始条件和边界条件，模拟干渠郑州至北京段沿程的水流温度变化，预测冰花起始时间、冰流量、冰盖形成及冰盖厚度。估算出沿程各河段主要断面过冰能力、预测各渠段的冰塞发生位置，冰盖形成及稳定性和冰下过流能力，阐明了在寒冷地区冬季输水防凌的必要条件和可行性。研究并提出了冬季输水的防凌害初步运行方案及防凌措施。     

封冻期渠系运行方式

为研究系运行方式与冰塞二者之间的关系,以流速、傅汝德数、水位偏差等参数作为指标,在常规运行方式选择方面,认为上游常水位运行造成的冰塞风险最小,下游常水位运行在封冻时闸门调控及时,等体积运行方式中庸;封冻渠池在封冻时,该渠池运行方式由下游常水位切换为等体积,造成渠系的水位偏差、水力响应过程中的最大流速与傅汝德数等指标均较始终保持下游常水位小,模拟工况下的上游水位偏差减小近50%,最大流速降低约6.5%,表明运行方式切换更有利于维持渠系在封冻时的稳定和减小冰塞风险。因此,推荐封冻渠池在封冻时由下游常水位切换至等体积运行。     

长距离明渠系统反向输水冰情模拟

针对长距离明渠-闸门-泵站系统冬季反向输水可能出现的冰问题,以南水北调来水调入密云水库调蓄工程为研究对象,升级开发了调水工程冬季输水冰情数值模拟平台。根据实测气象资料和设计资料,对冰情数学模型中的相关参数进行了率定和检验。在此基础上,研究了冰期明渠反向安全输水的水力约束条件,通过模拟调蓄工程典型气温年工况下畅流期、冰盖形成期、稳封期、消融期等冰情演变过程,分析了反向输水的输水能力和冰情特性,并与正向冰期输水能力进行了对比。计算表明,通过控制抽水流量使各渠段泵吸水口拦冰(拦污)设施、倒虹吸或闸门位置处断面佛汝德数满足快速成冰的约束条件,可以保证反向输水;典型年气温下沿程冰厚略小于正向输水工况,且形成冰盖时最大水位波动为0.35 m;从冰封起始的12月中旬提前1~2周启动冬季输水运行工况较为适宜。研究成果可供决策管理部门在冰期制定北京多水源联合调度方案时参考。     

双桥墩条件下冰塞发展临界条件试验初步研究

河流中的桥墩改变了附近原有的水流特征,冬季可能对其附近冰塞的形成和演变产生影响。基于水槽模型试验,通过改变墩心距、墩径、墩形、冰水流量比和水流弗劳德数,分析了双桥墩条件下冰塞发展通过桥墩的临界条件。试验表明：冰塞能否发展通过桥墩所在断面存在临界弗劳德数,其值受墩心距、墩径、墩形和冰水流量比等因素控制,随着墩心距的减小或冰水流量比、墩径的增大,冰塞发展通过桥墩所在断面难度增大,方形墩相较于圆柱形墩难度增大;试验范围内,随着墩心距的减小,桥墩所处河道断面输冰能力增强,初始冰塞厚度增加,但冰塞平衡厚度减小。     

弯槽段冰塞形成临界条件的试验研究

冬季北方河流经常出现冰塞现象,而弯道处易于卡封是普遍认识,但对其形成机理的认识尚有待探索。借助于实验室的试验水槽,通过改变水流条件和冰流量条件,研究了S型弯槽和直槽冰塞形成条件,并进行对比分析,试验表明:弯槽段冰塞形成的临界Fr值大于直槽临界Fr值,即在相同水深的条件下,更大的流速时弯槽段也能形成冰塞;弯槽段能形成冰塞的Fr值范围大于直槽,故弯槽段更易形成冰塞;平衡冰塞厚度大致随着初始流速的增大而减小,随着初始水深的增大而增大,随着冰流量的增加而增加。